UPS供電系統(tǒng)可靠性及其規(guī)范中值得商榷的問(wèn)題

戴勇干

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

UPS交流供電電源一般用于比較重要的交流負(fù)荷供電，以防止變電站關(guān)鍵設(shè)備失電導(dǎo)致變電站主要系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。目前變電站應(yīng)用UPS電源的設(shè)備系統(tǒng)很多，電力行業(yè)有關(guān)規(guī)范作出了一些規(guī)定，但是要求不盡統(tǒng)一，甚至同一規(guī)范前后不一致。本文試圖在充分分析、理解中國(guó)電力行業(yè)相關(guān)規(guī)范對(duì)UPS電源系統(tǒng)及相關(guān)負(fù)荷對(duì)電源可靠性要求的基礎(chǔ)上，給電力工程UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及規(guī)范修編提出建議，供業(yè)內(nèi)同行參考。

1 UPS相關(guān)規(guī)范中的名詞理解

有關(guān)UPS接線方式經(jīng)常使用的名詞有并聯(lián)、并聯(lián)冗余、雙重化冗余[1]等，根據(jù)規(guī)范DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中術(shù)語(yǔ)條文，筆者理解，對(duì)于正常配置的UPS系統(tǒng)，其“并聯(lián)”“并聯(lián)冗余”應(yīng)當(dāng)歸屬于同一種接線方式，即冗余配置的UPS交流輸出端是連接在一起的，輸出接線為單母線接線，可以提供雙回路電源，但無(wú)法提供獨(dú)立的雙電源。并聯(lián)冗余UPS接線見(jiàn)圖1。

圖1 并聯(lián)冗余UPS接線圖

而雙重化冗余UPS，與前面的并聯(lián)冗余UPS不同，電源輸出端采用單母線分段接線，它可以滿足雙電源負(fù)載的需要，雙重化冗余UPS接線見(jiàn)圖2。同時(shí)，在并聯(lián)冗余方式下，當(dāng)輸出端母線或斷路器出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致UPS輸出母線失電，而雙重化冗余接線則可以保證一半負(fù)荷保持正常供電，該冗余方式在正常情況下，2臺(tái)UPS分別帶本段母線負(fù)荷，UPS均可輕載運(yùn)行，同時(shí)，當(dāng)其中1臺(tái)UPS故障時(shí)，其負(fù)載可以經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換由另1臺(tái)UPS供電，增加整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性[2-3]。

圖2 雙重化冗余UPS接線圖

圖2可認(rèn)為是完全意義上的雙重化冗余，有些項(xiàng)目的UPS旁路電源只用1個(gè)，此時(shí)即使配置2臺(tái)旁路隔離變，也不是完全的雙重化冗余。

2 UPS系統(tǒng)電源的可靠性

研究分析表明，在UPS供電系統(tǒng)中，影響供電可靠性的最大因數(shù)在于輸出側(cè)的配電系統(tǒng)[4]，包括斷路器跳閘、電路短路等供電回路故障，其中79%來(lái)源于UPS輸出與負(fù)載之間的供電線路上的故障，11%來(lái)源于UPS和蓄電池組，其他故障占10%。目前UPS設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及其工藝技術(shù)已經(jīng)比較成熟。因此對(duì)于目前電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、變電站監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備對(duì)UPS的供電可靠性的需求，其關(guān)心的重點(diǎn)不是UPS設(shè)備本身的設(shè)計(jì)和制造，而是由整個(gè)供電系統(tǒng)和服務(wù)決定的UPS系統(tǒng)的可用性，也就是設(shè)計(jì)配置1個(gè)高可用性的UPS 供電系統(tǒng)，以滿足電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、變電站內(nèi)設(shè)備的高運(yùn)行可靠性的要求。

影響UPS系統(tǒng)的可用性，其實(shí)主要就是冗余方式。

并聯(lián)冗余的UPS，僅僅是UPS主機(jī)和直流電源是冗余配置，雖然互為備用，但不完全獨(dú)立，對(duì)于其它部分是沒(méi)有冗余配置的。因此，該系統(tǒng)屬于設(shè)備冗余，可在一定程度上提供可靠性的電源，但是當(dāng)無(wú)冗余配置的元件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，UPS將無(wú)法實(shí)現(xiàn)供電。

而雙重化冗余，配置2套UPS的主交流電源、直流電源、旁路電源由不同廠用或站用電源母線引接，屬于系統(tǒng)性冗余，該類(lèi)冗余配置后，其輸出側(cè)接線為單母分段接線，尤其對(duì)于雙電源需求的設(shè)備供電，可以大大提高其供電可靠性。增加系統(tǒng)的冗余度，提高系統(tǒng)的可靠性，此時(shí)冗余度的加大將使系統(tǒng)負(fù)載率下降，系統(tǒng)的效率也將下降，但對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、變電站監(jiān)控系統(tǒng)等重要設(shè)備運(yùn)行涉及到電網(wǎng)、變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，UPS系統(tǒng)效率下降可不予考慮。

應(yīng)用UPS設(shè)備目的是解決供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，目前UPS設(shè)備經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在其性能指標(biāo)已滿足計(jì)算機(jī)等用電負(fù)荷要求的情況下，UPS的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是其滿足系統(tǒng)供電可靠性的主要問(wèn)題。有些制造廠UPS產(chǎn)品名義上是雙重化冗余方式，但是對(duì)2個(gè)旁路是通過(guò)單電源分支形成的，一旦旁路電源出現(xiàn)故障，是無(wú)法在UPS輸出側(cè)形成雙電源的。

3 電力系統(tǒng)、變電站對(duì)UPS系統(tǒng)電源的可靠性要求

UPS電源主要用于對(duì)電源可靠性要求較高的系統(tǒng)或設(shè)備，比如涉網(wǎng)的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備、廠站端監(jiān)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等。如DL/T 5003-2017《電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)程》第5.2.2條中要求遠(yuǎn)動(dòng)網(wǎng)關(guān)等關(guān)鍵廠站端設(shè)備應(yīng)配置雙電源模塊，其他廠站端設(shè)備宜配置雙電源模塊，或采用靜態(tài)切換裝置實(shí)現(xiàn)雙路供電；第7.2.3條對(duì)用于調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的UPS電源亦要求采用專用的、冗余配置的UPS 供電，不應(yīng)與信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)合用電源。調(diào)度自動(dòng)化UPS的交流電源應(yīng)來(lái)自兩路不同的電源點(diǎn)，并配有應(yīng)急電源，雙機(jī)運(yùn)行時(shí)單機(jī)負(fù)載率不應(yīng)超過(guò)30%；同時(shí)要求具備雙電源模塊的裝置或設(shè)備，兩個(gè)電源模塊應(yīng)由不同UPS供電；對(duì)單電源設(shè)備應(yīng)配置靜態(tài)切換裝置。

《國(guó)家電網(wǎng)有限公司關(guān)于印發(fā)十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)》(2018)中第16.1.1.2條亦要求調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)采用專用的、冗余配置的不間斷電源(UPS)供電，UPS 單機(jī)負(fù)載率應(yīng)不高于40%。同樣要求UPS 應(yīng)至少具備兩路獨(dú)立的交流供電電源。該反事故措施16.1.1.5條要求，廠站遠(yuǎn)動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及其測(cè)控單元等自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)采用冗余配置的UPS或站內(nèi)直流電源供電。具備雙電源模塊的設(shè)備，應(yīng)由不同電源供電。該反事故措施16.3.1.8條要求，用于同一條220 kV 及以上電壓等級(jí)線路的繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置的獨(dú)立通信傳輸設(shè)備，其電源(含一體化電源)供電，滿足“雙路由、雙設(shè)備、雙電源”的要求。

前面DL/T 5003-2017《電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備電源配置提出的基本要求，適用于省級(jí)及以上電力調(diào)度(調(diào)控)中心直接調(diào)度管理及信息直采的新能源場(chǎng)站、變電站等工程的應(yīng)用。因此，新能源35 kV及以上電壓等級(jí)開(kāi)關(guān)站、升壓站等UPS電源配置及其供電電源均應(yīng)參考應(yīng)用。除了以上諸多設(shè)備對(duì)UPS電源的要求外，另外如大型變電站火災(zāi)報(bào)警、監(jiān)控系統(tǒng)中的服務(wù)器、安防設(shè)備等亦要求提供UPS雙電源的需求。

然而UPS連接方式不同，UPS所能適應(yīng)的設(shè)備電源需求不同，當(dāng)UPS輸出端接線為單母線時(shí)，只能提供雙回路，無(wú)法提供獨(dú)立的雙電源，只有采用雙重化冗余時(shí)才能提供雙電源。

4 規(guī)范對(duì)UPS接線要求與條文理解

關(guān)于UPS接線要求，有關(guān)規(guī)范針對(duì)不同的項(xiàng)目條件規(guī)定了相應(yīng)的接線要求。

(1) 規(guī)范DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中第3.2.2條明確規(guī)定：110 kV及以下電壓等級(jí)變電站，宜配置1套UPS；220 kV及以上電壓等級(jí)變電站應(yīng)配置2套UPS；特高壓變電站、換流站每個(gè)區(qū)域宜配置2套UPS。

結(jié)合其條文說(shuō)明，220 kV及以上等級(jí)變電站應(yīng)配置2套UPS，并且是宜采用雙重化冗余方式，只有這樣才能滿足220 kV及以上電壓等級(jí)變電站和換流站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、控制保護(hù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)供電可靠性的要求。然而對(duì)于新能源110 kV升壓站以及35 kV開(kāi)關(guān)站也都有調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備，按照DL/T 5003-2017《電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求也應(yīng)配置雙電源，如果只是配置1套UPS就不能滿足規(guī)范要求。

規(guī)范DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第4.2.2條則有明顯差別，雖然要求變電站、換流站交流不間斷電源系統(tǒng)的母線接線方式應(yīng)根據(jù)變電站、換流站電壓等級(jí)及負(fù)荷要求設(shè)置，但又規(guī)定UPS輸出側(cè)母線接線應(yīng)符合2條規(guī)定：① 變電站宜用單母線接線；② 換流站宜采用單母線分段接線，也可采用單母線接線。本條文前面要求根據(jù)變電站、換流站電壓等級(jí)負(fù)荷要求設(shè)置，即要求根據(jù)變電站、換流站電壓等級(jí)負(fù)荷要求來(lái)確定UPS輸出端接線型式，這與3.2.2條的要求是基本對(duì)應(yīng)的，然而本條文項(xiàng)1規(guī)定變電站宜用單母線接線，沒(méi)有區(qū)分變電站的電壓等級(jí)、負(fù)荷要求等，顯然該條文存在前后要求、說(shuō)法上的不一致；同時(shí)對(duì)換流站提出也可采用單母線接線，與3.2.2條的要求也是不一致。而實(shí)際上對(duì)于特高壓變電站、換流站，從維持其安全運(yùn)行、區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行要求以及電網(wǎng)自動(dòng)化設(shè)備等電源需求，一方面UPS負(fù)荷數(shù)量多；另一方面雙重化電源配置需求也較多，單母線接線應(yīng)當(dāng)無(wú)法滿足完全意義上獨(dú)立雙電源要求。如某330 kV升壓站總回路約70個(gè)回路，雙重化配置回路就有15組，如按單母線設(shè)計(jì)，一旦UPS母線或個(gè)別斷路器出現(xiàn)故障導(dǎo)致母線失電，有可能導(dǎo)致升壓站運(yùn)行事故，供電可靠性較差。

(2) 規(guī)范DL/T 5136-2012《火力發(fā)電廠、變電站二次接線設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中第10.2.4條要求：交流不間斷電源主母線應(yīng)采用單母線或單母線分段方式。當(dāng)有冗余供電或互為備用的不間斷負(fù)載時(shí)，交流不間斷電源主母線宜采用單母線分段，雙重化的交流不間斷電源裝置和負(fù)載應(yīng)分別接到不同的母線段上。

依一般電氣接線概念，單母線和單母線分段2種接線的供電可靠性是存在差異的，供電可靠性要求高的應(yīng)當(dāng)采用單母線分段，基于這一點(diǎn)，交流不間斷電源主母線接線應(yīng)當(dāng)依據(jù)供電可靠性要求來(lái)選用接線型式，這和DL/T 5491-2014中3.2.2、4.2.2條的基本要求是相一致的。然而本條要求對(duì)雙重化冗余供電、互為備用的負(fù)載，交流不間斷電源主母線宜采用單母線分段接線，按字面進(jìn)一步理解，在此情況下采用單母線也可以，但是如果采用單母線，雙重化冗余供電的負(fù)載電源是做不到由2個(gè)獨(dú)立電源供電的，也做不到應(yīng)分別接到不同母線段上。

規(guī)范第10.2.5條同時(shí)規(guī)定一般220 kV變電站只設(shè)一臺(tái)單機(jī)在線式UPS裝置，110 kV及以下變電站所需小容量的不間斷電源可采用DC/AC變換裝置。當(dāng)220 kV變電所主變壓器數(shù)量為4臺(tái)及以上的較大型變電站或22 0kV以上變電站時(shí)，才推薦UPS宜采用冗余配置。前述UPS的配置要求顯然有別于DL/T 5491-2014要求。

(3) Q/CSG115001-2012《南方電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)不間斷電源配置規(guī)范》適應(yīng)于地調(diào)及以上電網(wǎng)、配網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化主站系統(tǒng)、110～500 kV各電壓等級(jí)的發(fā)電廠、變電站的不間斷電源的配置要求。其中第6.1.5條要求對(duì)以上電壓等級(jí)變電站應(yīng)配置2臺(tái)UPS電源，構(gòu)成雙機(jī)冗余供電系統(tǒng)，220 kV及以上變電站，UPS電源系統(tǒng)宜采用雙機(jī)雙母線帶母聯(lián)運(yùn)行接線方式(相當(dāng)于單母分段)，而110 kV及以下變電站配置的UPS電源系統(tǒng)雖可采用雙機(jī)主從串聯(lián)互為備用運(yùn)行接線方式(相當(dāng)于單母線)，但尚未明確只能采用該接線。

5 問(wèn)題商榷

關(guān)于UPS冗余方式除了上述規(guī)范中存在不一致、不統(tǒng)一的情況，在其他一些規(guī)范或文件中也僅是強(qiáng)調(diào)UPS冗余配置，具體要求哪一種“冗余”配置尚不明確。在實(shí)際工程應(yīng)用中，規(guī)范或文件要求不具體，往往給設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來(lái)不便，比如對(duì)于一般330 kV變電站，依據(jù)有關(guān)規(guī)范條文，UPS輸出端可以采用單母線接線，但這樣對(duì)于需要配置雙電源的調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備及其他站用設(shè)備負(fù)荷就無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙電源配電，或?qū)⒃谝欢ǔ潭壬嫌绊戨娋W(wǎng)、變電站的安全運(yùn)行。

電網(wǎng)、變電站中調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備配置方式主要還是依據(jù)其所在系統(tǒng)所要求的可靠性來(lái)確定，要使該系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性得以實(shí)現(xiàn)，則必須有相應(yīng)可靠的UPS供電系統(tǒng)與其相一致，否則電網(wǎng)、變電站調(diào)度自動(dòng)化或廠站端監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也難以實(shí)現(xiàn)。因此，建議在相關(guān)規(guī)范修編時(shí)，能依據(jù)電網(wǎng)、變電站的設(shè)備可靠性要求明確UPS的冗余方式。

6 結(jié) 語(yǔ)

UPS不同的冗余方式，其所能提供的供電可靠性不同，應(yīng)用于電網(wǎng)、變電站中的UPS供電系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)滿足其調(diào)度自動(dòng)化、監(jiān)控等設(shè)備供電可靠性的要求。在各類(lèi)規(guī)范、文件中應(yīng)針對(duì)各類(lèi)用電設(shè)備明確UPS的冗余方式，避免出現(xiàn)不相匹配的供電方式，確保電網(wǎng)、變電站/升壓站各設(shè)備系統(tǒng)的安全運(yùn)行。